모듈식 시스템 설계를 위한 COM-HPC 표준 이해

임베디드 컴퓨팅 산업은 모듈식 시스템 설계를 위한 차세대 표준으로 COM-HPC를 출시하려고 합니다. COM-HPC는 복잡하고 때로는 잘못 이해되기 때문에 명확한 정보가 필요합니다.

일부에서는 PCI PICMG(Industrial Computer Manufacturers Group) COM-HPC 표준을 완전히 새로운 애플리케이션을 처리하는 완전히 새로운 플랫폼으로 보고 있습니다. 혹독한 환경에서 막대한 워크로드를 관리해야 하는 임베디드 에지 서버 진영은 그렇게 생각한다. 두 번째 진영은 기존 COM Express 사용자입니다. 그들은 서버 모듈에 대한 관심이 적고 대신 새로운 COM-HPC 표준의 클라이언트 모듈에 더 관심이 있습니다. 그들은 COM-HPC에 대해 조금 더 회의적입니다. 그들은 기존 COM Express 투자를 보호하고 싶어하며 스스로에게 묻습니다. COM Express를 언제까지 사용할 수 있으며 지금 COM-HPC로 전환해야 합니까? 내 고객에게 어떤 이점이 있습니까? 그들에게는 COM-HPC 클라이언트 모듈이 제공하는 이점과 COM Express와 어떻게 다른지 아는 것이 가장 중요합니다. 따라서 COM-HPC는 각각 요구 사항이 다른 두 개의 개별 대상 그룹을 처리합니다. 그렇다면 두 개의 새로운 하위 사양에는 어떤 잠재력이 있으며 어떻게 다른가요?

내장 서버용 개방형 표준 플랫폼

고성능의 짧은 역사
Computer-on-Module 표준

연도 세부정보 2001ETX-IG 설립 및 최초의 제조업체 독립 모듈 표준 출시2005PICMG COM Express 1.0 사양 발표2010COM Express 2.0 사양2012COM Express 모듈 판매가 ETX2012COM Express 2.1 사양을 초과2018COM-HPCase 핀아웃2020 PICMG COM-HPCase 위원회의 PICMG 설립2020 COM-HPC 사양

개방형 및 제조업체 독립적인 Computer-on-Module 표준은 애플리케이션의 수명 주기를 수십 년으로 보장합니다. 이 폼 팩터가 순전히 레거시 버스를 기반으로 한다는 사실에도 불구하고 OEM은 오늘날에도 여전히 새로운 ETX 모듈을 구입할 수 있습니다. 이전 버전과의 호환성 덕분에 PCIe 기반 표준은 더욱 오래 지속됩니다.

COM-HPC 서버는 열악한 환경을 위한 모듈식 임베디드 랙 서버 및 박스 서버 설계를 개발하기 위한 최초의 진정한 개방형 표준입니다. 오늘날의 고전적인 서버 세계에서 애플리케이션 준비 프로세서 모듈은 여전히 ​​거의 활용되지 않지만 이러한 접근 방식은 많은 이점을 제공합니다. 예를 들어, 특정 크기 및 I/O 요구 사항을 매우 쉽게 실현할 수 있습니다. 개발자는 적절한 애플리케이션별 캐리어 보드만 설계하면 됩니다. 프로세서, RAM 및 고속 인터페이스와 같은 복잡한 핵심 구성 요소는 표준화된 모듈에서 구입할 수 있습니다.

캐리어 보드 설계는 전체 맞춤형 설계보다 적은 노력을 필요로 하기 때문에 이 접근 방식은 이전에 표준 제품이 종종 불만족스러웠지만 피할 수 없는 타협이었던 소규모 제품 시리즈에도 효율적으로 적용될 수 있습니다. 뿐만 아니라 모듈식 개념은 성능 업그레이드 비용을 크게 줄여줍니다. 1U 또는 3U 랙 시스템의 전체 교체와 비교할 때 모듈식 서버 설계는 모듈만 교체되기 때문에 업그레이드 비용을 약 50% 절감할 수 있습니다. 따라서 이 접근 방식은 솔루션을 더 오래 사용할 수 있으므로 투자의 지속 가능성과 솔루션의 장기적인 가용성 및 ROI를 향상시킵니다.

하나의 표준에 더 많은 계산 단위

모듈식 개념의 일반적인 장점 외에도 COM-HPC 서버는 이전에 이 형식의 모듈에서 사용할 수 없었던 몇 가지 기술 개선 사항을 제공합니다. 예를 들어 COM-HPC 표준은 x86 프로세서에 국한되지 않고 RISC 프로세서, FPGA 및 범용 그래픽 처리 장치(GPGPU)의 사용을 명시적으로 제공합니다. Embedded World 기간 동안 PICMG 부스에서 이러한 대체 컴퓨팅 장치를 사용한 첫 번째 샘플이 전시되었습니다.

따라서 처음으로 단일 공식 사양과 표준화된 생태계 내에서 광범위한 컴퓨팅 및 가속기 장치를 사용하여 이기종 서버 설계를 개발하고 구현하는 것이 가능하게 되었습니다. 이를 용이하게 하기 위해 새로운 사양은 또한 처음으로 모듈에 대한 슬레이브 모드를 지원합니다. OEM은 간소화되고 보다 효율적인 설계의 이점을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 노하우를 보다 효과적으로 재사용할 수 있습니다.

더 많은 성능을 위한 더 많은 공간

COM-HPC 서버 모듈은 반도체 제조업체가 곧 출시할 것으로 예상되는 새로운 임베디드 에지 서버 프로세서에 필요한 고성능 컴퓨팅 성능을 에지 및 포그 서버 애플리케이션에 제공하는 것을 목표로 합니다. COM-HPC 서버 모듈에 대해 지정된 최대 전력 예산 300와트는 적어도 중기적으로 예상되는 성능을 나타냅니다. 비교를 위해:오늘날 가장 강력한 COM Express Type 7 Server-on-Module은 최대 100와트를 허용합니다. 예측된 성능 향상을 고려하여 이를 확장하면 COM-HPC가 미래에 엄청난 서버 부하를 처리할 수 있음을 쉽게 알 수 있습니다.

이 고성능 잠재력 옆에 모듈이 프로세서 또는 대체 컴퓨팅 장치에 제공하는 공간의 양이 중요합니다. 이것은 16개 이상의 코어가 있는 Intel 및 AMD의 현재 고성능 CPU 또는 손바닥 크기의 강력한 FPGA를 보면 명확해집니다. 이를 위해 COM-HPC 서버는 그림 1과 같이 200mm x 160mm(크기 E) 또는 160mm x 160mm(크기 D)의 모듈 설치 공간을 제공합니다. 이러한 비교적 큰 설치 공간은 또한 열 분산을 단순화하여 더 큰 공간을 제공합니다. 열 낭비를 더 효율적으로 분배할 수 있는 방열판.

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그림 1:COM-HPC 서버는 현재 1TB RAM에 대해 최대 8개의 DIMM 소켓을 위한 공간이 있는 크기 E와 4개의 DIMM 소켓에 대해 20% 더 작은 크기 D 공간을 지정합니다. COM-HPC 서버와 클라이언트는 2x 400 핀이 있는 동일한 커넥터를 사용하지만 서로 다른 거리에 위치합니다. 이렇게 하면 실수로 잘못된 유형의 모듈을 장착하여 손상되는 것을 방지할 수 있습니다(출처:congatec).

메모리 성능 향상

이러한 큰 풋프린트로 COM-HPC 서버 모듈은 또한 더 많은 메모리 성능을 제공합니다. 마이크로, 에지 및 포그 서버의 높은 메모리 대역폭 및 크기 요구 사항을 충족하는 전체 DIMM 메모리 모듈을 위한 충분한 공간이 있습니다. 크기 E 풋프린트에서 현재 최대 1.0테라바이트의 메모리에 대해 최대 8개의 DIMM 소켓을 호스팅할 수 있습니다. 크기 D 풋프린트에서 현재 최대 512GB 메모리에 대해 최대 4개의 DIMM 소켓을 호스팅할 수 있습니다.

더 많은 I/O 성능

캐리어 보드 연결의 경우 COM-HPC 서버는 PCI Express Gen 4.0 및 Gen 5.0을 위한 8x 25GbE와 65개의 PCIe 레인을 정의합니다(그림 2). 이 레인 중 하나는 캐리어 보드의 선택적 BMC(보드 관리 컨트롤러)와의 통신을 위해 예약되어 있고 나머지 64개 PCIe 레인은 주변 장치를 연결하는 데 사용할 수 있습니다.

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그림 2:COM-HPC 서버 모듈의 주요 기능:엄청나게 많은 고속 인터페이스, 뛰어난 네트워크 대역폭 및 헤드리스 서버 성능(출처:congatec).

따라서 COM-HPC 서버는 예를 들어 일치하는 COM-HPC 모듈 또는 NVMe 기반 스토리지 미디어의 형태로 GPGPU, FPGAS 및 ASICS와 같은 추가 컴퓨팅 가속기를 연결하기 위해 매우 광범위하고 강력한 연결을 제공합니다. 전체적으로 COM-HPC 서버 설계는 PCIe를 통해 최대 256GB/s의 I/O 성능을 제공합니다. Thunderbolt 3.0 버전에서 2개의 USB 4.0 인터페이스를 통해 2x 40 Gigabit/s를 추가로 추가할 수 있으며, 2개의 지정된 USB 3.2 인터페이스를 통해 2x 20 Gigabit/s를 추가할 수 있습니다. 4개의 추가 USB 2.0 인터페이스는 COM-HPC 서버 모듈에서 USB를 제공합니다. 2x 기본 SATA 외에도 eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2xUART 및 12 GPIO를 지원하여 서비스 목적과 같은 간단한 주변 장치 및 표준 통신 인터페이스를 통합합니다. 추가 10Gb 이더넷 포트는 원격 및 대역 외 관리에 사용할 수 있는 전용 통신 채널을 제공합니다.

최적화된 서버급 보드 관리

COM-HPC가 처음 도입한 또 다른 산업은 전용 시스템 관리 인터페이스입니다. 이 인터페이스는 현재 PICMG 원격 관리 소위원회에서 개발 중입니다. 목표는 원격 에지 서버 모듈 관리에 사용할 수 있는 IPMI(지능형 플랫폼 관리 인터페이스)에 지정된 기능 집합의 일부를 만드는 것입니다. 따라서 슬레이브 기능과 유사하게 COM-HPC는 원격 관리를 위한 확장된 통신 기능도 제공합니다. 이 기능 덕분에 OEM과 사용자는 서버의 공통 요구 사항인 안정성, 가용성, 유지 관리 가능성 및 안전성(RAMS)을 보장할 수 있습니다. 개별 요구 사항에 따라 이 기능은 캐리어 보드의 보드 관리 컨트롤러(옵션)를 통해 확장할 수 있습니다. 이를 통해 OEM은 특정 요구 사항에 맞게 조정할 수 있는 균일한 원격 관리 기반을 제공할 수 있습니다.

COM-HPC 클라이언트 – 더 크고, 더 빠르게, 더 많이

COM-HPC 서버 사양이 완전히 새로운 임베디드 에지 서버 설계에 집중하는 동안, 물론 지금까지 COM Express Type 6을 활용해 온 "클래식" 고성능 임베디드 시스템도 있습니다. OEM은 COM-HPC가 기존 COM Express 설계를 구식으로 만들 것인지, 언제 COM-HPC로 전환하는 것이 가장 좋은지, COM-HPC가 자신과 고객에게 어떤 이점을 제공하는지 궁금해하고 있습니다. 이러한 질문에 답하기 위해서는 COM-HPC 클라이언트 모듈이 어떤 기능을 제공하는지 자세히 알고 COM Express 기능과 비교하는 것이 중요합니다.

세 가지 크기

많은 면에서 두 표준은 차이점보다 유사점이 더 많습니다. COM Express와 마찬가지로 COM-HPC 클라이언트는 120mm x 160mm(C 크기), 120mm x 120mm(B 크기) 및 120mm x 95mm(A 크기)의 세 가지 모듈 크기를 지정합니다. 이는 가장 작은 COM-HPC 클라이언트 설치 공간이 125mm x 95mm로 측정되는 COM Express Basic과 거의 동일함을 의미합니다. 이것만으로도 COM-HPC 클라이언트가 COM Express 위에 위치하여 COM Express로 도달할 수 없는 응용 프로그램을 처리한다는 것을 보여줍니다. (그림 3).

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그림 3:COM Express 및 COM-HPC 클라이언트는 모두 세 가지 다른 풋프린트를 정의합니다. 그러나 가장 작은 COM-HPC 크기 A는 COM Express Basic과 거의 동일하므로 COM-HPC가 COM Express(출처:congatec) 위에 위치한다는 것이 즉시 분명합니다.

더 강력한 기능

이는 오늘날 가장 강력한 COM Express Type 6 모듈의 약 3배에 달하는 200와트의 지원 전력 예산에도 반영됩니다. 메모리에 관한 한 COM-HPC 클라이언트와 COM Express는 모두 SODIMMS 또는 납땜 메모리를 사용하지만 COM-HPC는 최대 4개의 SODIMM 소켓으로 더 많은 메모리를 수용할 수 있습니다. 그러나 현재 COM Express는 이미 96GB를 지원할 수 있으므로 높은 메모리 요구 사항도 충족합니다.

더욱 빨라진 인터페이스

레이아웃 관점에서 볼 때 COM Express와 COM-HPC 모듈의 가장 중요한 차이점은 커넥터와 모듈을 연결하는 신호 핀 수와 관련하여 그림 4와 같이 애플리케이션별 캐리어 보드입니다.

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그림 4:COM-HPC 클라이언트 및 COM Express Type 6 인터페이스는 주로 PCIe 레인 수와 대역폭, 이더넷 인터페이스 및 USB 포트, 그리고 아직 지정해야 할 확장 원격 관리 지원이 다릅니다( 출처:congatec).

COM-HPC는 최신 고속 인터페이스용으로 설계되고 PCIe 5.0 및 25Gb/s의 높은 클록 속도에 대해 이미 지정된 새로운 커넥터를 활용합니다. COM Express는 호환 모드에서 PCIe Gen 3.0 및 PCIe 4.0을 지원합니다. 그러나 물론 PCIe Gen 4.0이 포함된 임베디드 프로세서를 먼저 사용할 수 있어야 합니다. COM Express와 마찬가지로 COM-HPC는 2개의 커넥터를 지원하지만 각각 400개의 핀이 있습니다. 따라서 총 800개의 신호 핀이 있는 COM-HPC에는 440개의 핀이 있는 COM Express Type 6 모듈보다 거의 두 배 많은 핀이 있습니다. 말할 필요도 없이 이것은 또한 더 많은 인터페이스를 위한 공간을 제공합니다.

COM-HPC 클라이언트 모듈은 캐리어 보드에 대한 49개의 PCIe 레인에 이를 사용하며, 그 중 하나는 다시 캐리어 보드의 BMC와 통신하기 위한 것입니다. COM Express Type 6이 최대 24개 레인을 제공하는 것보다 2배 많은 레인입니다. 2개의 25GbE KR 이더넷과 최대 2개의 10Gb BaseT 인터페이스도 모듈에서 직접 제공됩니다. COM Express Type 6은 캐리어 보드를 통해 추가 네트워크 인터페이스를 구현하는 옵션과 함께 1x 1GbE를 지원합니다.

4배 그래픽

그래픽 지원은 두 표준에서 동일합니다. 동시에 이러한 모듈을 헤드리스 COM Express Server-on-Modules 및 COM-HPC Server 모듈과 구별하는 것입니다. 두 표준 모두 3개의 DDI(디지털 디스플레이 인터페이스)와 1개의 eDP(내장 디스플레이 포트)를 통해 최대 4개의 디스플레이를 지원합니다. 멀티미디어 인터페이스 측면에서 COM-HPC는 COM Express에 지정된 HDA 인터페이스 대신 SoundWire를 사용합니다. SoundWire는 최대 12.288MHz의 클럭 속도를 가진 클럭과 데이터의 2개 레인만 필요한 새로운 MIPI 표준입니다. 이 두 레인을 통해 최대 4개의 오디오 코덱을 병렬로 연결할 수 있으며 각 코덱은 분석을 위해 고유한 ID를 받습니다.

더 많은 USB 대역폭과 MIPI-CSI

지원되는 USB 표준 측면에서도 미래를 위해 설계된 COM-HPC는 4개의 USB 2.0으로 보완된 4개의 USB 4.0 인터페이스를 지정합니다. 이것은 COM-HPC 클라이언트 모듈이 최대 4x USB 3.1 및 8x USB 2.0을 실행하는 COM Express Type 6 모듈보다 적은 4개의 USB 포트를 제공한다는 것을 의미하지만 USB 4.0은 최대 전송 속도를 위해 설계되었기 때문에 더 많은 대역폭으로 보상됩니다. 최대 40Gbit/s. COM-HPC 클라이언트 모듈의 또 다른 매력적인 기능은 2개의 MIPI-CSI 인터페이스를 제공하여 상황 인식 및 협동 로봇 공학을 위한 비용 효율적인 카메라 연결을 가능하게 한다는 것입니다.

COM-HPC 클라이언트는 오늘날 거의 레거시 장치인 기존 SSD 및 HDD 연결을 위한 2x SATA 인터페이스와 2x UART 및 12x GPIO와 같은 산업용 인터페이스를 추가로 제공합니다. 2x I2C, SPI 및 eSPI가 기능 세트를 완성합니다. 이러한 모든 기능은 COM-HPC와 달리 커넥터를 통해 고유한 기능으로 CAN 버스 옵션을 제공하는 COM Express Type 6 모듈과 비슷합니다.

차이점으로 판단하면 COM Express 기반 설계를 사용하는 OEM은 앞으로 몇 년 동안 COM Express와 함께 잘 작동할 것이라고 확신할 수 있습니다. 이는 ISA에서 PCI로, PCI에서 PCI Express로의 전환과 달리 COM-HPC가 새로운 시스템 버스를 도입하지 않기 때문이기도 합니다. COM Express 모듈은 ETX가 도입된 지 11년이 지난 2012년까지 베스트셀러 모듈로 ETX를 대체하지 않았다는 점을 기억할 가치가 있습니다. 그리고 ETX 모듈은 오늘날에도 여전히 판매되고 있습니다. PCIe 세대는 이전 세대와 역호환되기 때문에 PCIe Gen 4.0이 모든 프로세서 수준에 도입된 후에도 PCIe Gen 3.0을 사용한 설계는 오랫동안 서비스 상태를 유지합니다. 따라서 주어진 인터페이스 사양이 적절하다면 변경할 필요가 전혀 없습니다.

그러나 32개 이상의 PCIe 레인이 필요하거나 전체 대역폭의 PCIe 4.0, USB 4.0 다중 25Gbit/s 이더넷 및/또는 고급 원격 관리 기능이 필요한 경우 전환할 가치가 있습니다. 그렇지 않으면 '실행 중인 시스템을 절대 변경하지 마십시오'라는 모토를 고수하십시오.